Bewässerung 8 – Solarbetriebener Bewässerungssensor

Solarbetriebene Sensoreinheit für ein automatisches Bewässerungssystem auf Basis ESP8266

Nachdem nun endlich alle Teile angekommen sind, konnte ich endlich meinen Bewässerungssensor fertigstellen. Als Basis dafür dient mein ESP8266 Breakout Board. Beim Löten sind mir einige Details aufgefallen (hauptsächlich fehlende Beschriftungen). Deshalb habe ich mein Design nochmal etwas umgebaut (siehe Github). Mit dem XCSOURCE FT232RL 3.3V 5.5V FTDI USB zu TTL Serielles Adaptermodul Arduino Mini Anschluss TE203 als Konverter entfällt übrigens das lästige Drücken des “PROG” Tasters sofern man den Lötjumper gesetzt hat. Für die Sensorik verwende ich dasselbe Kit das ich auch beim Prototypen verwendet habe: MTS1EU Greenhouse Sensor Kit Soil Hygrometer Module and DHT11 Temperature/Humidity Module for Arduino. Gewächshaus Pflazen .

Circuit Diagram
Circuit Diagram
PCB Sensor
PCB

Also Solarpanel setze ich ein kleine 5V/81mA Panel von Conrad ein. Durch den geringen Strom den das Panel liefert muß ich mir keine Gedanken wegen einer Überladung machen und komme mit einer einfachen Zener Diode (BZX85C3V9) als Überladungsschutz aus. Außerdem habe ich auf anraten auf einen PNP Transistor umgewechselt. Aus Layout Gründen haben sich ein paar Details an den Verwendeten GPIOs ergeben, die letztgültige Version vom Fritzing und vom Code findet ihr auf meiner Github Seite.

Das Endergebnis sieht dann so aus.

sensor5 sensor4 sensor3 sensor2 Sensor1

 

Bewässerung – Teil 6: Fuzzy Regelung

Der einfachste Weg für die Steuerung der Bewässerung wäre sicher die Bodenfeuchtigkeit als Schwellwert zu verwenden und damit die Wasserzufuhr zu starten. Ich denke aber nicht dass das ein guter Ansatz ist da die Bodenfeuchtigkeitsmessung wohl eher ein Anhaltspunkt als ein wirklicher Messwert ist. Außerdem möchte ich sowieso einen Regler implementieren um eine einigermassen konstante Wasserzufuhr zu erreichen. Der meist-eingesetzte Regler und damit auch der bekannteste ist wohl der PI-Regler. Dieser hat für hier aber den Nachteil dass er nur eine Eingangsgröße zu einer Ausgangsgröße verarbeiten kann. Natürlich könnte man jetzt mit ein paar Tricks (Störgrößenaufschaltung oder Kaskadierung) weitere Messgrößen in den Regler bekommen aber das werde ich hier nicht machen. Ich werde statt dessen einen Fuzzy Regler verwenden.

Der Fuzzy Regler ist ein Multi-Input-Multi-Output (MIMO) Regler, der mit unscharfen Größen arbeitet. Das klingt sehr innovativ, tatsächlich ist die Geschichte der Fuzzy Regelung aber schon eine ziemlich alte und begann 1965. In der 1990ern erfuhr sie einen richtigen Hype und verschwand dann ein bißchen in der Versenkung. Meiner Meinung nach findet sie viel zu wenig Beachtung da man mit ihr der Problematik der meisten Regelkreise (kein exaktes Modell, empirisches Wissen über den Algorithmus) am besten begegnen kann.

Da wir unseren Webserver schon im Einsatz haben werde ich den Fuzzy Regler in PHP implementieren und verwende dazu eine Klasse von Wojtek Jarzecki. In weiterer Folge wird später der uC für die Ansteuerung der Pumpen das PHP Script aufrufen und bekommt einen Änderungsanforderung(-10% … +10%) für die Sollwerte der Wasserpumpen  (0-100%) zurück. Der uC wird damit jeweils den aktuellen Sollwert für jede Pumpe anpassen und diesen in ein PWM Signal übersetzen.

Für die Parametrierung der Regelung ermittle ich erstmal den Wert für nasse Erde (bei mir ca. 400) und trockene Erde (bei mir ca. 800). Durch googlen finde ich heraus dass die Luftfeuchte bei uns in der Steiermark etwa zwischen 50% und 90%  und die durchschnittliche Temperatur in den Sommermonaten zwischen 8°C und 36°C liegt. Mit diesen Werten definiere ich meine Input Membership Funtions wie folgt:

Fuzzy Parameter

Der Code für mein Script sieht so aus:

 

 

Bewässerung – Teil 5: Kleines Software Refactoring

Nach den ersten Erkenntnissen meiner kleinen Versuchsreihe habe ich nun die Software etwas umgebaut. Nachdem der DHT11 selten aber doch immer wieder mal unplausible Werte liefert werde ich an der Logik ein bißchen schrauben. Ich werde mir drei Werte einlesen und jeweils für Temperatur und Luftfeuchtigkeit den mittleren nehmen. Für die Bodenfeuchtigkeit werde ich einen Mittelwert aus drei Messungen bilden.

Außerdem habe ich etwas am Ablauf gefeilt und den Code etwas besser strukturiert.

Tricky waren dabei vor allem 2 Sachen:

  • Ich erstelle mit für meine Werte ein Array of Struct. Die typedef für den Struct Typen muss in einer Header Datei erfolgen.
  • Der ESP8266 untersützt die std nicht von Haus aus. Deshalb verwende ich für die Funktion min ein Makro.

Das Ergebnis sieht so aus.

 

Bewässerung – Teil 2: Datenaufzeichnung

Die “Kommandozentrale” bildet ein Raspberry PI 2.  Ihr braucht dazu noch eine Speicherkarte, eine Stromversorgung (ich versorge den PI mittels USB von meinem Access Point) und eventuell einen WLAN Stick. Auf alle Fälle empfehle ich euch ein einfaches Gehäuse wie z.B. das hier.

Zuerst muß für den Raspberry ein Betriebssystem (Raspbian) installiert werden. Images und Anleitungen findet ihr hier. Wie man im Arduino Projekt schon sehen kann, sende ich meine Daten an einen Webserver. Einen einfachen Socket-Server zu schreiben wäre zwar eine leichtgewichtigere Lösung aber man stellt es sich viel einfacher vor einen Dienst zu machen der wirklich 24/7 stabil, robust und zuverlässlich läuft. Deshalb setze ich gerne auch vernünftige Middleware auf. Für Datenaufzeichnung ist die Kombination aus Apache Webserver, PHP und MySQL (LAMP) ideal. Für die Installation gibt es massenweise Tutorials, ich habe dieses hier verwendet. Anstatt des “echten” MySQL verwende ich allerdings den OpenSource Nachfolger MariaDB. Dazu verwendet ihr einfach statt

apt-get install apache2 apache2-utils php5 libapache2-mod-php5 php5-mysql mysql-server mysql-client phpmyadmin -y

diesen Befehl

apt-get install apache2 apache2-utils php5 libapache2-mod-php5 php5-mysql mariadb-server mysql-client phpmyadmin -y

Da MariaDB umfassend zu MySQL kompatibel ist, können alle weiteren Tools die bei MySQL funktionieren auch bei MariaDB verwendet werden.

Für das weitere Arbeiten installiere ich noch einen Samba Server, eine Anleitung gibt’s hier. Da ich mit Windows auf meinem Entwicklungsrechner arbeite kann ich so einfach das wwwroot meines RasPIs als Netzlaufwerk einrichten und kann darin entwickeln, ohne den mühsamen Umweg über FTP. Für die Entwicklung in MariaDB könnt ihr entweder das installierte phpmyadmin verwenden oder ihr installiere auf eurem Entwicklungsrechner die MySQL Workbench. Diese bringt zwar eine Warnmeldung wenn man sich zu einem MariaDB Server verbindet, funktioniert aber tadellos. Welche Variante ihr verwendet ist geschmackssache, ich selber bevorzuge lieber die Workbench Variante da ich es gewohnt bin mit einer DB Entwicklungsumgebung zu arbeiten und mir das phpmyadmin deshalb etwas ungewohnt daherkommt.

Wenn ihr den Raspberry aufgesetzt habt und eure Entwicklungstools beisammen habt könnt ihr in der Datenbank eine Datenbank erzeugen. Ich nenne meine Datenbank einfach “templogg”

Und dann erzeugen wir noch eine Tabelle namens “tbllogging”

Diese hat eine Spalte namens “dt” vom Typ datetime und ist mein Primärschlüssel.  Meine weiteren Spalten heißen “temp”, “humidity” und “soil”, vom Datentyp double. Diese werden meine Meßwerte aufnehmen.

Wie man in meinem Arduino Code sehen kann benötige ich zum Eintragen der Werte noch ein PHP Script namens “newrecord.php”, das ich der Einfachheit halber direkt ins wwwroot lege.

Damit das Script läuft muss auf dem Arduino in der php.ini die Extension für mysql Zugrif aktiviert sein.

Wie zuvor erwähnt, ist die mysqli-Erweiterung nicht standardmäßig aktiviert, daher muss die php_mysqli.dll-DLL in der php.ini aktiviert werden. Um dies zu tun, müssen Sie die php.ini-Datei finden (typischerweise liegt diese unter c:\php) und überprüfen, dass das Kommentarzeichen (ein Semikolon) vom Anfang der Zeile extension=php_mysqli.dll in der Sektion [PHP_MYSQLI] entfernt wurde.- http://php.net/manual/de/mysqli.installation.php

So, wenn das geschafft ist teste ich ob da Script funktioniert und rufe dazu die URL in einem beliebigen Browser mit Testparameter auf um Daten einzutragen.

http://raspberryip/newrecord.php?temp=33.00&humidity=44.00&soil=55.00

Danach könnt ihr prüfen ob die Daten richtig eingetragen wurden.

Nachdem es bei mir funktioniert hat lösche ich die Daten danach aus der Datenbank

Jetzt starte ich meinen Arduino und überprüfe ob auch diese seine Daten richtig einträgt und nachdem auch das funktioniert darf er erstmal ein paar Tage die Daten einer Zimmerpflanze aufzeichnen um zu sehen ob alles gut funktioniert.

Prototype in Aktion

Und damit es nicht langweilig wird werde ich in der Zwischenzeit eine Webseite machen um mir die Aufgezeichneten Daten anzeigen zu lassen ohne jedes Mal auf die Datenbank zu gehen

Bewässerung – Teil 1: Ein Prototyp

Als ersten Schritt werde ich einen Prototypen bauen. Normalerweise baut man einen Prototyp ja auf einem Steckbrett . Ich möchte den Prototypen aber ein paar Wochen ausprobieren damit ich sehe wie viel Energie er braucht und wie sich die Messungen verhalten. Deswegen mache ich meinen Prototypen auf einer Lochraster Platine. Außerdem werde ich auf meinem Arduino eine Datenaufzeichnung in einer Datenbank einrichten und eine kleine Webvisualisierung dazu erstellen.

Meine Einkaufsliste dazu:

Zusätzlich noch:

  • eine Lochraster Platine
  • 3 Stk. 10k Widerstände (oder höherohmig, es müssen nur drei gleiche sein)
  • 1 Stk Elektrolytkondesator (> 500 uF)
  • 1 Stk. Transistor (z.B. BC547C)
  • 1 Stk 3,3K Widerstand
  • eine Steckerleiste (2 pins)
  • einen Jumper
  • und einen Lötkolben.

Ich weiß, über Lötkolben wird viel fachgesimpelt aber mir persönlich reicht eine 22€ Lötstation. Außerdem ist dabei eine recht gute Entlötpumpe dabei und so ein Gerät empfehle ich auch dringend jedem Anfänger. Überschüssiges Geld ist am besten in vernünftigem Lötzinn angelegt. Für die Stromversorgung verwende ich eine USB Powerbank die ich als Werbegeschenk erhalten habe.  Man bekommt die zur Zeit eh überall geschenkt, ansonsten erhält man sie auch für unter 10 € im Netz (z.B. hier).

Ich vermeide bei Prototypen stets die Bauteile direkt einzulöten. Deswegen verwende ich gerne Steckerleisten. Diese haben zwar den Nachteil dass man etwas vorsichtig mit dem Aufbau umgehen muß aber dafür kann ich einfach Bauteile für Versuche einfach raus nehmen ohne gleich zum Lötkolben greifen zu müssen.

Das der ESP8266 nur 3,3V verträgt verwende ich den USB zu TTL Konverter auch gleich als Spannungswandler. Dazu muß nur der Jumper auf dem Board auf 3,3 V gesteckt werden. Zum Energiesparen werde ich den ESP in den Deep-Sleep-Modus versetzen. Damit die beiden Sensoren derweilen keinen Strom verbrauchen schalte ich sie über einen Ausgang und einen Transistor weg. Der ESP benötigt bei Verbindungsaufbau zum WLAN relativ viel Strom, deshalb muß parallel zur Versorgung ein Elektrolytkondensator geschaltet werden. Es ist keine Raketenwissenschaft diesen auszulegen, er sollte irgendwas zwischen 400uF und 2200uF bei 6-10V haben. Für das Programmieren muß der CH_PD Pin auf GND gezogen werden. Manche empfehlen dafür einen Taster, ich bevorzuge eine kleine Steckerleiste und einen Jumper.

In der ESP8266 Dokumentation ist beschrieben, dass zum Aufwachen aus dem Deep-Sleep der PIN16 mit CH_PD verbunden sein muß. Leider hat das bei meinem ESP nicht funktioniert. Deshalb verwende ich den RESET für den Wakeup. Ich kann dadurch zwar ein paar Optionen des Deep-Sleep nicht verwenden aber für den Prototypen ist mir das egal.

Der Prototyp in EAGLE
Der Prototyp in EAGLE

 

Es bedarf etwas an Tüftelei die Bauelemente auf der Platine sinnvoll zu platzieren, ich habe versucht Platz zu sparen, vor allem weil ich einen relativ kleines Platinenstück übrig hatte.

Meine Prototyen Platine
Meine Prototyen Platine

Zum Programmieren des ESP verwende ich meine Arduino IDE. Dazu muß man in der Arduino Software, in den Einstellungen http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json eintragen. Dann unter Tools > Board „…“ > Board Manager… auswählen, esp8266 anklicken und Install drücken. Danach kann der ESP wie jeder andere Arduino programmiert werden. Zum Programmieren muß der Jumper beim Initialisieren gesetzt sein. Bei mir zickt das Hochladen des Programmes ab und zu. In dem Fall nehme ich einfach kurz die Spannung weg (aber lange genug dass ich der ELKO entlädt) und versuche es nochmal. ACHTUNG, wenn beim Aufwachen aus dem Deep Sleep der Jumper noch immer gesetzt ist dann startet der ESP nicht richtig.